腐蚀环境下纳米改性混凝土耐久性能研究及寿命预测

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混凝土是目前建筑工程中用途最为广泛的建筑材料之一。在西部盐渍土环境下,由于盐渍土中含有大量的腐蚀性离子,导致普通混凝土长期受到腐蚀介质的侵蚀,其耐久性能逐渐退化,直至失效。对于如何提升混凝土结构耐久性能,如何延长其服役寿命,是目前学术界的重点和难点。而纳米材料被誉为21世纪最为重要的材料之一,它的特殊性质无疑将会对建筑材料乃至整个土木工程领域产生巨大的影响。为了研究如何提升普通混凝土耐久性能,延长其服役寿命。本文通过将纳米CaCO3作为普通混凝土的外掺料,研究不同浸泡方式下纳米CaCO3改性混凝土抗硫酸盐腐蚀性能。通过定期测量试件的超声波速和质量,选择抗压抗蚀系数Kα、抗折抗蚀系数Kβ、相对质量评价参数ω1、相对动弹性模量评价参数ω2、综合损伤评价参数ω和腐蚀层厚度df共同表征不同浸泡方式下纳米CaCO3改性混凝土抗硫酸盐腐蚀性能,结合扫描电镜(SEM)、X衍射分析(XRD)微观方法研究腐蚀后纳米CaCO3改性混凝土微观结构特点以揭示其劣化机理。在此基础上,根据试验实测的寿命数据驱动,选择多种评价指标进行处理并作为性能劣化指标,采用Wiener随机过程建立腐蚀后纳米CaCO3改性混凝土耐久性能参数退化模型,并以此进行寿命预测,主要完成以下科研工作并取得相应的结果:(1)全浸泡纳米CaCO3改性混凝土抗硫酸盐腐蚀试验结束后,依据多种耐久性评价指标对试件抗硫酸盐侵蚀性能进行分析,研究发现:试件的相对质量评价参数ω1、相对动弹性模量评价参数ω2、抗折抗蚀系数Kβ、抗压抗蚀系数Kα等评价参数均呈现0~180d为上升趋势,综合损伤评价参数ω和腐蚀层厚度df在180d时开始出现变化,分析认为适当的纳米CaCO3的掺入可以增强混凝土抗硫酸盐侵蚀性能,而当纳米CaCO3掺量为1%时,效果最佳。微观试验表明腐蚀后试件内部存在长杆状、短柱状钙矾石及板状石膏等腐蚀产物,这些腐蚀产物在试验初期可以填充混凝土缺陷,但随着试验时间的推移,将会加剧混凝土内部的腐蚀。(2)半浸泡纳米CaCO3改性混凝土抗硫酸盐腐蚀试验结束后,依据多种耐久性评价指标对试件抗硫酸盐侵蚀性能进行分析,研究发现:以180d为临界龄期,0~180d时,试件的抗压抗蚀系数Kα、抗折抗蚀系数Kβ、相对质量评价参数ω1、相对动弹性模量评价参数ω2呈现上升趋势,180d~360d时呈现下降趋势,综合损伤评价参数ω在180d时开始变化,分析认为适当的纳米CaCO3的掺入可以改善混凝土抗硫酸盐侵蚀性能,当纳米CaCO3掺量为1%时,效果最佳。混凝土腐蚀程度不同部位由大到小依次为:M区>D区>T区。微观试验表明腐蚀后试件内部出现大量发育良好、晶体长度较长的杆状钙矾石晶体及板状石膏晶体等腐蚀性产物,而混凝土表面也析出白色十水硫酸钠晶体,这些腐蚀产物在试验初期可以改善混凝土缺陷,但随着试验时间的推移,将会导致混凝土内部出现裂纹,从而加剧混凝土腐蚀。(3)采用Q-Q图对纳米CaCO3改性混凝土多种评价指标进行验证,判断可以通过Wiener随机过程对纳米CaCO3改性混凝土进行寿命预测研究。研究发现:不同浸泡方式下混凝土试件剩余寿命均呈现随纳米CaCO3掺量变化而变化,其中当纳米掺量为1%时,效果最好。实际工程中,当纳米CaCO3掺量为1%时,混凝土抗硫酸盐侵蚀性能将大幅增加,混凝土结构服役寿命也将大幅增加。
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